Альфа-распад. туннельный эффект

    Простейшая  модель α-распада была предложена в 1928 году Г. Гамовым и независимо от него Г. Герни и Э. Кондоном. В этой модели предполагалось, что α-частица постоянно существует в ядре. Пока α-частица находится в ядре на нее действуют ядерные силы притяжения. Радиус их действия – R. Ядерный потенциал – V0. За пределами ядерной поверхности при r > R потенциал является кулоновским

V(r) = 2Ze2/r.

 

Упрощенная  схема совместного действия ядерного потенциала притяжения и кулоновского потенциала отталкивания показана на рисунке 3. Для того, чтобы выйти за пределы ядра α-частица должна пройти сквозь потенциальный барьер, заключенный в области от R до Rc. Вероятность D альфа-распада в основном определяется вероятностью прохождения α-частиц через кулоновский      потенциальный барьер

Рисунок 3. 

    В рамках этой модели удалось  объяснить сильную зависимость  вероятности α-распада от энергии  -частицы.

    Таким образом, вылет α-частиц  из радиоактивных ядер обусловлен  туннельным эффектом. Аналогичные  явления – вылет электронов  из металла или проникновение электронов в зону проводимости. Во всех этих случаях проявляются волновые свойства частиц. 

Для естественных радиоактивных изотопов энергия  альфа-частиц лежит в пределах 2-8 МэВ, скорость порядка 107 м/с, пробег в  воздухе – несколько сантиметров. 

Альфа-распад  - характерный вид радиоактивного распада для естественных радиоактивных элементов шестого и седьмого периодов таблицы Д. И. Менделеева (уран, торий и продукты их распада до висмута включительно) и особенно для искусственных - трансурановых - элементов. То есть этому виду распада подвержены отдельные изотопы всех тяжёлых элементов, начиная с висмута.  

Альфа-распад - это испускание из ядра атома альфа-частицы (альфа-частицы), которая состоит из 2 протонов и 2 нейтронов. Альфа-частица имеет массу 4 единицы, заряд +2 и является ядром атома гелия.

В результате испускания альфа-частицы образуется новый элемент, который в таблице  Менделеева расположен на 2 клетки левее, так как количество протонов в  ядре, а значит, и заряд ядра, и  номер элемента стали на две единицы меньше. А масса образовавшегося изотопа оказывается на 4 единицы меньше.

Так, например, при альфа-распаде урана всегда образуется торий, при альфа-распаде  тория - радий, при распаде радия - радон, затем полоний и наконец - свинец. При этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234, затем радий-230, радон-226 и т. д.  

Пример, альфа-распада для изотопа 226Ra:

 

Кинетическая  энергия α-частиц при таком распаде (Εα) определяется массами исходного  и конечного ядер и α-частицы. Эта энергия может незначительно уменьшиться, если конечное ядро образуется в возбуждённом состоянии и, напротив несколько увеличиться, если возбуждённым было испускающее α-частицу ядро (такие частицы с увеличенной энергией называются длиннопробежными). Однако во всех случаях энергия α-распада продолжает быть однозначно связана с разностью масс и уровнями возбуждения исходного и конечного ядер, а потому спектр испускаемых α-частиц всегда является не сплошным а линейчатым.

Характерным свойством α-распада является наличие сильной зависимости между энергией испускаемых α-частиц и периодом полураспада α-радиоактивных ядер:

    где  К и D — константы, значения  которых для природных радиоактивных  изотопов с чётными Z и А  лежат (при периоде полураспада   , выраженном в сек, и энергии Е, выраженной в МэВ) в следующих пределах: К=128,8 (при Z=84) — 154,7 (Z=92), D=50,15 (Z=84) — 54,4 (Z=92). Эта эмпирическая зависимость была впервые установлена в 1911—1912 гг. Гансом Гейгером и Джоном Неттолом (закон Гейгера-Неттола-, показывает зависимость между периодом полураспада T1/2 α-радиоактивных ядер и энергией Еα вылетающей α-частицы:

lg T1/2 = A + B/(Еα)1/2,

A и B – постоянные).

, и теоретически  обоснована в 1928 году Георгием  Гамовым в результате квантовомеханического рассмотрения процесса α-распада в результате туннельного перехода.

Скорость  альфа-частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. км/сек.

В вакууме  альфа-частица могла бы обогнуть земной шар по экватору за 2 сек. 

Распространённость  α-распада.

Распространённость  α-распада в наибольшей степени определяется зависимостью времени жизни α-радиоактивных ядер от энергии их распада. Важно не только чтобы энергия распада была положительной, но необходимо чтобы период полураспада находился в пределах: 10-12 сек < T1/2 < 1016 лет, нижний предел которых связан с самим определением понятия типа распада, а верхний предел с выполнением условия наблюдаемости (возможности обнаружения) распада (при ~ 1016 лет активность 1 г изотопа с А~200 составляет лишь 1,8×10-13 кюри). Для радиоактивных изотопов с Z < 50 энергия α-распада оказывается положительной при очень сильном дефиците числа нейтронов, в тоже время для ядер такого типа становится характерной протонная и двупротонная радиоактивность, и поэтому α-распад. здесь, как правило не наблюдается (в этой области изотопов существует единственное (аномальное) ядро, неустойчивое к α-распаду из основного состояния, 8Be). Среди изотопов более тяжёлых элементов имеется большое число таких, для которых энергия α-распада очень мала, хотя и положительна, и фактически сам α-распад отсутствует.

Практическое  значение a-распада.

Огромнейшее значение а-распад имеет в области  использования ядерной энергии, в частности в радиоизотопной энергетике. Используемые альфа-радиоактивные  изотопы во всевозможных радиоизотопных источниках энергии представляют собой наиболее мощные источники энергии, и в сравнении с бета-радиоактивными изотопами выделяют на порядок большую энергию. Помимо этой области, альфа-распад ряда изотопов имеет огромное значение в производстве и применении разнообразных нейтронных источников, в которых используется альфа-нейтронная ядерная реакция с бериллием:

 

  Наиболее  технологически отработанные полоний-бериллиевый,  Плутоний-238-бериллиевый источники  нейтронов используются в самых разнообразных научных областях исследования, при нейтронно-активационных анализах вещества, при нейтронном каротаже буровых скважин и др. 

α-радиоактивные ядра.

Альфа-распад обнаружен у более чем 200 изотопов различных элементов, в основной своей массе расположенных в конце периодической системы, в областях за свинцом, которым и завершается заполнение протонной ядерной оболочки с Z=82. Также имеется чуть более 20 α-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. В этой области α-распад наиболее присущ ядрам с N=84, которые при испускании α-частиц испытывают превращение в ядра с заполненной оболочкой (N=82). Время жизни α-радиоактивных ядер колеблется от 10-12 сек, до (2-5)×1017 лет (природные изотопы 142Ce, 144Nd, 174Hf, 209Bi). Энергия наблюдаемого α-распада находится в пределах 4-9 МэВ (за исключением длиннопробежных α-частиц) для все тяжёлых ядер элементов, и 2-4,5 МэВ для изотопов редкоземельных (лантаноидов) элементов). 
 

Заключение 

Альфа-распад является следствием электрического отталкивания между протонами ядра, которое наступает в момент увеличения расстояния между ними. Такое увеличение расстояния иногда вызывается внешними причинами, поглощением волн или механическим воздействием, но в большинстве случаев, когда речь идёт о так называемом, самопроизвольном распаде, он (альфа-распад) вызван энтропийными причинами.

Туннельному эффекту обязаны такие явления, происходящие в сильных электрических полях, как автоионизация атомов и автоэлектронная эмиссия из металлов. В обоих случаях электрическое поле образует барьер конечной прозрачности. Чем сильнее электрическое поле, тем прозрачнее барьер и тем сильнее электронный ток из металла. На этом принципе основан сканирующий туннельный микроскоп - прибор, измеряющий туннельный ток из разных точек исследуемой поверхности и дающий информацию о характере её неоднородности. 

Туннельный  эффект возможен не только в квантовых системах, состоящих из одной частицы. Так, например, низкотемпературное движение дислокаций в кристаллах может быть связано с туннелированием конечной части дислокации, состоящей из многих частиц. 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы

1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Квантовая механика, 4 изд., М., 1989;
2. Займан Дж., Принципы теории твердого тела, пер. с англ., 2 изд., М., 1974;
3. Туннельные явления в твердых телах, пер. с англ., М., 1973;
4. Гольданский В.И., Трахтенберг Л.И., Флеров В.П., Туннельные явления в химической физике, M., 1986-291с.;
5. Кюри. М., Радиоактивность, перевод с франц., М.-Л., 1947.г.
6. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М.: Наука, 1972.
7. Физика микромира. Маленькая энциклопедия. Гл. редактор Д.В. Ширков-М.: «Советская энциклопедия», 1980.—528 с.
8. Данные из сети интернет, сайт»Физическая энциклопедия. Туннельный эффект» http://femto.com.ua/articles/part_2/4170.html
9. Данные из сети интернет, сайт «Физика от А… до Я…Туннельный эффект.» http://www.historylive.ru/0mZe.htm
10. Данные из сети интернет, сайт «Физика от А… до Я… Альфа-распад» http://www.historylive.ru/0e.htm
11. Данные из сети интернет, сайт « Большая советская энциклопедия. Альфа-распад. http://www.ussr-encyclopedia.ru/?aid=2383

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

Введение………………………………………………………………….…3

Туннельный  эффект………………………………………………………..4

Альфа-распад……………………………………………………………..10

Заключение………………………………………………………………..16

Список  литературы………………………………………………………17